Um biossensor eletroquímico vestível para monitoramento de metabólitos e nutrientes

Nature Biomedical Engineering volume 6, páginas 1225–1235 (2022) Citar este artigo

69k acessos

60 Citações

282 Altmétrica

Detalhes das métricas

Biossensores não invasivos vestíveis para monitoramento contínuo de metabólitos no suor podem detectar alguns analitos em concentrações suficientemente altas, normalmente durante exercícios vigorosos, de modo a gerar quantidade suficiente do biofluido. Aqui, relatamos o design e o desempenho de um biossensor eletroquímico vestível para a análise contínua, no suor durante o exercício físico e em repouso, de níveis vestigiais de vários metabólitos e nutrientes, incluindo todos os aminoácidos e vitaminas essenciais. O biossensor consiste em eletrodos de grafeno que podem ser repetidamente regenerados in situ, funcionalizados com polímeros molecularmente impressos semelhantes a anticorpos metabólitos específicos e nanopartículas repórteres redox-ativas e integrados a módulos para indução de suor baseada em iontoforese, amostragem microfluídica de suor, processamento de sinal e calibração e comunicação sem fio. Em voluntários, o biossensor permitiu monitorar em tempo real a ingestão de aminoácidos e seus níveis durante o exercício físico, bem como avaliar o risco de síndrome metabólica (pela correlação dos níveis de aminoácidos no soro e no suor). O monitoramento de metabólitos para a identificação precoce de condições anormais de saúde pode facilitar aplicações em nutrição de precisão.

Os nutrientes circulantes são indicadores essenciais para a saúde geral e o funcionamento do corpo1. Os aminoácidos (AAs), provenientes da ingestão alimentar e da síntese da microbiota intestinal, e influenciados pelo estilo de vida pessoal, são biomarcadores importantes para várias condições de saúde (Fig. 1a)2. Aminoácidos de cadeia ramificada elevados (BCAAs), incluindo leucina (Leu), isoleucina (Ile) e valina (Val), estão associados à obesidade, resistência à insulina e risco futuro de diabetes mellitus tipo 2 (T2DM), doenças cardiovasculares (DCVs) e câncer pancreático3,4,5. Deficiências em AAs (por exemplo, arginina e cisteína) podem prejudicar o sistema imunológico reduzindo a ativação das células imunes6. Triptofano (Trp), tirosina (Tyr) e fenilalanina (Phe) são precursores dos neurotransmissores serotonina e catecolaminas (dopamina, norepinefrina e epinefrina), respectivamente, e desempenham importante papel no funcionamento de sistemas neurais complexos e na saúde mental7,8. Várias impressões digitais metabólicas (incluindo Leu, Phe e vitamina D) estão ligadas à gravidade da doença de coronavírus 2019 (COVID-19)9,10. As disparidades de saúde na nutrição também se correlacionam bem com as alarmantes disparidades raciais e étnicas que são agravadas pela vulnerabilidade e mortalidade da COVID-1911. Além disso, a disfunção de órgãos e tecidos induzida pelo coronavírus 2 da síndrome respiratória aguda grave pode resultar em aumento da incidência de doenças cardiometabólicas12.

a, Os nutrientes circulantes, como os AAs, estão associados a várias condições fisiológicas e metabólicas. b, Esquema do wearable 'NutriTrek' que permite o monitoramento metabólico por meio de uma fusão sinérgica de LEG, RARs e anticorpos artificiais. c,d, Esquema (c) e montagem de camadas (d) do adesivo microfluídico 'NutriTrek' para indução de suor, amostragem e biossensor. T, temperatura. e,f, Imagens de um sensor flexível (e) e um sistema vestível com interface com a pele (f). Barras de escala, 5 mm (e) e 2 cm (f). g, Diagrama de blocos do sistema eletrônico do 'NutriTrek'. Os módulos destacados em traços vermelhos estão incluídos na versão smartwatch. CPU, unidade central de processamento; POT, potenciometria; In-Amp, amplificador de instrumentação; MCU, microcontrolador; TIA, amplificador de transimpedância; IP, iontoforese; CE, contra-eletrodo; RE, eletrodo de referência; WE, eletrodo de trabalho. h, aplicativo móvel personalizado para rastreamento metabólico e nutricional em tempo real. i, smartwatch 'NutriTrek' com um patch de sensor descartável e um display eletroforético. Barras de escala, 1 cm (superior) e 5 cm (inferior).

2,500 °C), chemical bonds in the PI network are broken and thermal re-organization of the carbon atoms occurs, resulting in sheets of graphene structures. The optimized parameters for the graphene electrodes and electronic connections were power 8%, speed 15%, and points per inch (PPI) 1,000 in raster mode with three-time scan. For the active sensing area of the temperature sensor, the optimized parameters were power 3%, speed 18%, and PPI 1,000 in vector mode with one-time scan. To prepare the reference electrode, Ag was first modified on the corresponding graphene electrode by multi-current electrodeposition with electrochemical workstation (CHI 832D) at −0.01 mA for 150 s, −0.02 mA for 50 s, −0.05 mA for 50 s, −0.08 mA for 50 s and −0.1 mA for 350 s using a plating solution containing 0.25 M silver nitrate, 0.75 M sodium thiosulfate and 0.5 M sodium bisulfite. To obtain the Ag/AgCl electrode, 0.1 M FeCl3 solution was further dropped on the Ag surface for 30 s, and then 3 µl polyvinyl butyral (PVB) reference cocktail prepared by dissolving 79.1 mg of PVB and 50 mg of NaCl in 1 ml of methanol was dropped on the Ag/AgCl electrode and dried overnight. The Na+-selective electrode was prepared as follows: 0.6 µl of Na+-selective membrane cocktail prepared by dissolving 1 mg of Na ionophore X, 0.55 mg sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate, 33 mg polyvinyl chloride and 65.45 mg bis(2-ethylhexyl) sebacate into 660 µl of tetrahydrofuran was drop-casted onto the graphene electrode and dried overnight. To obtain the desired stable Na+-sensing performance for long-term continuous measurements, the obtained Na+ sensor was conditioned overnight in 100 mM NaCl./p>